Спосіб оптимізації технології термохімічного розщеплення молекул води при спалюванні вуглеводневого палива

Изобретение относится к способам сжигания углеводородного топлива и может быть использовано в теплотехнике, в частности: в паровых и водогрейных котлах, печах, газотурбинных установках, в металлургии, ракетных и реактивных двигателях. Известна технология термохимического расщепления молекул воды при сжигании углеводородного топлива, включающая подачу в камеру сгорания топливо-воздушной смеси и водяного пара. В процессе генерации водорода из молекул воды, являющимся эндотермическим процессом, образуется водяной газ смесь моноксида углерода и водорода. Для поддержания необходимой скорости реакции и повышения степени конверсии к водяному газу добавляют водяной пар с коэффициентом расхода большем единицы. Недостатками известной технологии является большой расход топлива, низкий КПД теплоагрегата вследствие большой потери тепла с удаляемыми в атмосферу водяными парами и дымовыми газами, содержащими экологически вредные продукты неполного сгорания: моноксида углерода и азота, диоксида азота и серы и пр. Задача изобретения. Задачей предлагаемого решения является создание способа оптимизации технологии термохимического расщепления молекул воды при сжигании углеводородного топлива, в котором путем введения дополнительных технологических операций достигался бы оптимальный процесс генерации водорода и кислорода из молекул воды экзотермическими реакциями конверсии моноксида углерода, который получают на первой стадии сжигания из углерода топлива, и тем самым снижается энергоемкость процесса генерации водорода и кислорода из молекул воды для повышения удельной теплоты сгорания горючей смеси и получения значительной экономии топлива, а также устранения возможности образования экологически вредных компонентов в дымовых газах - моноксида углерода, оксидов азота, а концентрацию оксидов серы снизить до практически безвредного присутствия следов. Поставленная задача решается тем, что в способе оптимизации технологии термохимического расщепления молекул воды при сжигании углеводородного топлива, включающем подачу в камеру сгорания топливо-воздушной горючей смеси и водяного пара, водяной пар подают перегретым в закритическое состояние в зону максимальной концентрации моноксида углерода, где за счет высокой внутренней энергии водяного пара реакция конверсии моноксида углерода переводится из эндотермического в экзотермический процесс постоянного действия. На первом этапе производится окисление углерода до моноксида углерода, который на втором этапе вступает в реакцию конверсии с перегретым в закритическое состояние водяным паром. При этом реакция конверсии является экзотермическим процессом. На третьем этапе осуществляется полное дожигание продуктов горючей смеси. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На первом этапе топливо подается через горелочное устройство в смесительную камеру сгорания, где оно диспергируется и смешивается с кислородом воздуха, образуя горючую газообразную смесь с коэффициентом избытка воздуха не более 0,6-0,7. Поэтому в первичной зоне факела пламени топливо окисляется максимально только до моноксида углерода по уравнению 1. 2С+О2=2СО+221.8 кДж (52,8 ккал) Водород топлива в этой зоне сгорает 2. 2Н2+О2=2Н2О(ж)+136 ккал (571,2 кДж), а сера, содержащаяся в топливе, окисляется до диоксида 3. S+O2=SO2+298 кДж (71 ккал) На основании этих уравнений реакций производит расчет расхода воздуха. На втором этапе перегретый за счет части энергии рециркуляции дымовых газов до закритического состояния водяной пар впрыскивается в зону максимальной концентрации моноксида углерода факела пламени, которая определяется экспериментально при наладочных работах. Перегретый водяной пер закритического состояния вступает в реакцию конверсии моноксида углерода. 4. СО+Н2О(газ) ⇄ СО2+2Н+42 кДж (10 ккал) Внутренняя энергия перегретого закритического водяного пара сопоставима с энергией активации отщепления первого атома водорода молекулы воды. Поэтому температура в зоне реакции поддерживается не менее 850°С, а концентрация водяных паров выше теоретически необходимой на 20-30%. При этих условиях равновесие реакции сильно смещается в сторону образования продуктов реакции с выделением энергии. Таким образом, реакция переходит в экзотермический процесс. В результате реакция инициируется и промотируется. Моноксид углерода интенсивно окисляется в диоксид углерода за счет ионов кислорода от молекул воды с выделением атомарного водорода. Процесс переходит на третий этап,в котором вторичный воздух из атмосферы, подогретый за счет рециркуляции части энергии выхлопных дымовых газов, подается в факел пламени для полного дожигания горючей смеси, содержащей остатки углеводородов, моноксид углерода и атомарный водород, полученный в предыдущем этапе. В результате энерговыделение в факеле возрастает, температура поднимается до 10501100°С, а концентрация реагирующих веществ интенсивно снижается. Скорость выхлопных дымовых газов резко возрастает и отвод продуктов реакции ускоряется. Изобретение иллюстрируется следующими примерами. В камеру сгорания вводят через форсунку 200 кг/час мазута М-40; 1200 м3/час первичного воздуха и через специальную коронку, насаженную концентрически на форсунку, в первичный факел в зону максимальной концентрации моноксида углерода вводится перегретый в закритическое состояние водяной пар с температурой не ниже 374°С в количестве 230 кг/час (на 20%. больше теоретически необходимого по реакции конверсии). Затем через воздухонаправляющий аппарат вводится вторичный воздух в количестве 1500 м3/час. В результате этого получили экономию топлива 128 кг/час, что составляет 38% от традиционного способа, КПД котлоагрегате повысился с 80% до 94% при неизменной нагрузке. Уменьшились выбросы в дымовых газах моноксида углерода с 50 мг/м3 до 0,5 мг/м3, т. е. в 1.00 раз; оксидов азота NOx с 10 мг/м3 до 0,5 мг/м3, т, е. в 20 раз; концентрация оксидов серы снизилась до еле уловимых следов, а концентрация диоксида углерода (углекислого саза) возросла с 4% до 13,2%. Остальные примеры приводятся в сводной таблице результатов испытаний котло-агрегата КАВ - 4/7. Как видно из приведенных данных высокая степень диспергирования топлива, объемное смешивание горючей смеси с кислородом первичного и вторичного воздуха, активная реакция конверсии моноксида углерода и сравнительно невысокая температура в камере сгорания устраняют возможность образования химического недожога, сажевых отложений на теплопередающих поверхностях и выбросов в дымовых газах экологически вредных компонентов СО, NOx, SO2 и пр. Это Обеспечивает повышение коэффициента теплопередачи и КПД теплоагрегата, снижение тепловых потерь с дымовыми газами.